摘要：采用高速轴承试验台对油气润滑条件下轴承温升和运转摩擦力矩进行测量，分析喷嘴结构及参数对轴承性能的影响。结果表明：相同工况下采用导流式喷嘴结构所需的润滑剂最佳供油量低于孔式喷嘴结构；在给定润滑剂供油量条件下，导流式喷嘴在高速和重载工况下的优势更明显；导流丝越长，轴承的温升和运转摩擦力矩越低，而导流丝直径对轴承润滑性能的影响较弱；通过对液滴壁面分布形态进行观察分析，发现导流式喷嘴的优势在于其良好的润滑剂输送能力。
关键词：滚动轴承；喷嘴；温升；摩擦力矩；润滑
高速加工技术的发展迫使机床主机轴承转速不断提升，但高速与超高速工况下滚动轴承的温升是轴承转速进一步提升的阻碍。轴承温升由本身摩擦发热[1]和润滑剂搅动发热[2]引起。为了抑制轴承温升，既需要形成可将接触副两表面分离的润滑油膜，以减小混合摩擦力，又需要避免润滑剂过量而产生搅油温升，同时还要保证轴承良好的冷却效果。此外，高速工况下轴承端面气帘效应对润滑剂进入轴承内部存在阻碍作用，如何增强润滑剂的输送性，也是高速轴承润滑需要解决的问题之一。因此，建立合理润滑方式与润滑剂输送技术，使轴承扭矩保持在最低限度且所需润滑剂供给量最少，对提高轴承转速及使用寿命十分重要。
油气润滑方式以压缩空气为载体，可穿透气帘将润滑剂以微小液滴的形式连续输送到轴承内部，既可实现润滑剂量的控制，又可利用压缩空气传递轴承热量，其综合优势已成为高速轴承的优选润滑方式。目前，国内外学者已对不同油气参数下轴承的润滑性能开展了研究。文献[3-4] 研究供油量、润滑油黏度、油气温度、转速对轴承性能的影响，给出了最佳供油量。实际上，供油结构对润滑剂的射流状态、气帘穿透能力、润滑剂输送特性等也存在明显影响，进而决定了轴承内部的润滑性能。国外轴承公司基于供油结构设计实现了轴承转速、噪声抑制等性能的提升，并开发了相应的轴承产品[5-6]。近期，国内研究学者也对油气喷嘴参数优化和结构设计开展了相关研究：文献[7]设计了多种结构的喷嘴，试验表明出口管径是供油量的最显著影响因素，并给出了优化后的结构参数组合；文献[8]研究了喷嘴结构参数对输油管中油气环状流特性的影响，指出喷嘴入口和出口直径是主要影响因素；文献[9]通过ANSYS数值仿真分析了喷嘴直径、长径比和收缩角对流体流动状态的影响；文献[10]采用 Fluent 仿真软件分析了喷嘴结构对油气两相流在轴承腔内流动状态的影响，仿真结果表明内圈喷射型喷嘴具有更好的润滑效果，竖管与倾斜管道夹角越小， 越利于环状流的保持；文献[11]通过数值计算对比分析了5种喷嘴结构对气帘效应的影响，结果表明气帘效应对轴承内圈加工孔槽型喷嘴结构的影响最小，轴承润滑效果最佳；文献[12]通过改变喷嘴位置，将传统的供油改为内圈或外圈供油，试验表明内圈供油温升更低。
已有研究主要集中于喷嘴几何结构参数，对于润滑剂流动引导的研究不多。作者所在课题组对原有喷嘴结构进行改进，发现通过置入导流体可改进润滑剂的分布形态和输送能力[13]；但在前期研究中，受测量装置局限仅能测量轴承温升，且因测量轴承直接安装在驱动主轴上，无法隔绝主轴本身热量的传递，对测量结果存在一定的影响。因此，本文在新设计的高速轴承试验机上，对不同喷嘴参数下轴承的温升和运转摩擦力矩进行测量，并以此评估轴承的润滑性能。
采用自主搭建的油气润滑高速轴承试验台，评估喷嘴结构及参数对轴承润滑性能的影响。如图1所示，该试验台主体由电主轴驱动单元、测试头、扭矩传感器、径向和轴向加载单元组成，此外油气单元、水循环冷却单元和数据采集单元为试验台的辅助部分。如图2所示，测试轴承对称安装在测试头内，测试头由电主轴驱动，所选用的电主轴功率为5.5 kW，可实现的最高转速为12 000 r/min。电主轴转速通过变频器调节，可根据测量需求得到不同的轴承转速。
1—电主轴(驱动)；2—扭矩传感器；3—径向加载单元；4—轴向加载单元；5—测试头。
图1 试验台主体
Fig.1 Main body of test bench
1—喷嘴(安装孔)；2—温度传感器(安装孔)；3—测试轴承(左)；4，6—测试轴承(右)；5—轴承内套筒；7—主轴。
图2 测试头结构
Fig.2 Structure of test head
测试轴承采用油气润滑方式，润滑剂通过喷嘴进入轴承内部。为了对比喷嘴结构对润滑性能的影响，试验采用如图3所示的孔式喷嘴和导流式喷嘴2种结构。导流式喷嘴与孔式喷嘴的出流孔直径、出流角度等几何参数相同，出口角与水平面均成15°夹角，润滑剂可有效喷射到轴承内圈壁面。导流式喷嘴的出流孔为通孔，便于导流丝的安装与固定。导流丝采用热熔胶胶结固定，该方式不影响喷嘴的安装，且经测试证明具有较高的可靠性，不会引起导流丝脱落。
(a) 孔式喷嘴 (b) 导流式喷嘴 (c) 喷嘴实物图
(d) 喷嘴结构图
图3 试验用喷嘴结构及实物图
Fig.3 Structure of nozzles and physical drawing used in tests
测量装置可实现轴承温升和运转摩擦力矩的同时测量：Pt 100温度传感器与轴承外圈直接接触以测量外圈温度；轴承的运转摩擦力矩采用扭矩传感器测量，所测力矩为测试轴承和径向加载轴承的总力矩。油气润滑单元的油泵为定量泵，供油量为0.5 mL/次，通过可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)控制油泵的供油间隔(即每小时内的供油次数)，可以实现对润滑剂供油量的调节。试验采用的润滑剂为PAO10，20 ℃黏度为0.13 Pa·s，20 ℃密度为0.835 kg/m3。测试轴承为NSK7008C角接触球轴承，其温升及运转摩擦力矩数据待轴承运转40 min后提取，此时测量数据已达到稳定值(轴承温升为轴承外圈测量温度与其试验温度的差值)。此外，考虑到机床加工电主轴在实际使用过程需要水循环冷却，本文的测试头也进行了冷却处理。
为了对比孔式喷嘴和导流式喷嘴对轴承润滑性能的影响，施加径向载荷2 kN，轴向载荷1 kN，转速分别为 3 000 ，6 000，9 000 r/min，测试不同供油量(指润滑剂供油量，下同)下2种喷嘴对轴承温升和运转摩擦力矩的影响，结果如图4所示。
由温升曲线可知，3种转速下轴承温升随供油量的增加均呈现先减小后增大的趋势。一般将曲线最低点附近的区域视为最佳润滑区间[14]，相应的供油量为最佳供油量。温升曲线变化规律与文献[15]试验结果类似，主要原因是：当供油量低于最佳供油量时，由于润滑剂量较少，轴承因乏油而处于混合润滑状态，两表面的粗糙峰接触率大，接触区摩擦产生的热量较多，随着供油量的增加，轴承乏油得到缓解，润滑油膜厚度增加，粗糙峰接触摩擦产生的热量减少，曲线呈下降趋势；当供油量超过最佳供油量时，轴承内部逐渐向富油润滑状态转化，除了接触区润滑油膜内摩擦产生的热量，多余的润滑剂在接触副入口区产生逆流剪切生热，在沟道上产生高速搅动生热，使轴承温升呈现上升趋势；供油量进一步增加，轴承温升将以搅油温升为主，该条件下过多的润滑剂不但不能促进润滑油膜建立，还将因温升使润滑剂环境黏度降低而导致膜厚下降；另外，转速较高时易使轴承产生乏油，因而图中最佳供油量随着转速的增加而增加。温升曲线还显示：润滑剂供给量低于最佳供油量时，采用导流式喷嘴的轴承温升要低于孔式喷嘴；供油量超过最佳供油量时，采用导流式喷嘴的轴承温升高于孔式喷嘴。这主要是因为导流式喷嘴更易将润滑剂输送到轴承表面，即在相同的工况下比孔式喷嘴输送了更多的润滑剂到轴承内部，较多润滑剂促进了润滑油膜的建立和润滑状态改善，使轴承温升和最佳供油量均较低。也正是由于导流式喷嘴较好的润滑剂输送能力，使其在较大供油量下所产生的搅油温升也较高，当供油量超过最佳供油量时，采用导流式喷嘴的轴承温升反而高于孔式喷嘴。
图4 不同供油量下2种喷嘴对轴承温升和运转摩擦力矩的影响对比
Fig.4 Comparison of effects of two nozzles on temperature rise and running friction torque of bearing under different lubricant supply amount
轴承运转摩擦力矩的变化规律与温升类似，即当供油量低于最佳供油量时，采用导流式喷嘴将获得较低的运转摩擦力矩；而当供油量超过最佳供油量时，孔式喷嘴所对应的轴承运转摩擦力矩较低。
为了进一步对比2种喷嘴的射流效果，采用自主搭建的射流状态与液滴分布测量装置[16]，观察射流后液滴在玻璃盘表面的分布形态，如图5所示。孔式喷嘴射流后液滴尺寸差异较大，分布均匀性差，这是由于孔式喷嘴喷射稳定性差，润滑剂在喷嘴处发生堆积，导致喷出的部分液滴尺寸较大；而导流式喷嘴射流后的液滴尺寸较小且分布均匀，细小的液滴尽管质量较小，但具有较高的运动速度，利于穿透气障进入轴承内部，因而导流式喷嘴供油具有稳定性和连续性，可以保证润滑的稳定性。对于轴承润滑而言，高速工况下较小尺寸的液滴受到的离心力较弱，由离心力造成的润滑剂迁移损失也较小。
(a) 孔式喷嘴
(b) 导流式喷嘴
图5 2种喷嘴结构射流后液滴在玻璃盘表面的分布形态
Fig.5 Distribution patterns of droplets on glass disk surface after jetting with nozzles of two structures
图4和图5的试验结果表明，导流式喷嘴具有较好的润滑剂输送能力和较低的最佳供油量；但在使用过程中应将供油量限制在最佳供油量附近，供油量过多时导流式喷嘴不占优势。
供油量为2 mL/h，径向载荷为2 kN，轴向载荷为1 kN，不同转速下2种喷嘴对轴承温升和运转摩擦力矩的影响如图6所示，轴承的温升和运转摩擦力矩随转速的增大而上升。这是因为在供油量一定的情况下，轴承的润滑状态从低转速的混合润滑到中等转速的富油润滑再到高转速的乏油润滑状态转化。富油润滑状态下，轴承温升以搅油温升为主；高速下因乏油使润滑状态重新回到混合润滑，同时会受到自旋、润滑剂黏度降低等因素的影响，使轴承温升和运转摩擦力矩呈现单调上升趋势。图6还可以看出，导流式喷嘴在高速下更有优势：转速为1 000 ～6 000 r/min时，采用导流式喷嘴供油的轴承温升和运转摩擦力矩大于孔式喷嘴，这是因为在该转速范围内，2 mL/h的供油量已超过导流式喷嘴的最佳供油量(图4)，多余的润滑剂所产生的搅油温升高于孔式喷嘴；当转速超过6 000 r/min时，轴承内的润滑状态随着转速增加逐渐进入乏油润滑，由图5结果分析，导流式喷嘴供给的微小液滴受到离心力作用较弱，润滑剂在沟道上损失量较少，对于乏油起到一定的抑制作用，因而导流式喷嘴的温升和运转摩擦力矩相对较低。
图6 不同转速下2种喷嘴对轴承温升和运转摩擦力矩的影响对比
Fig.6 Comparison of effects of two nozzles on temperature rise and running friction torque of bearing under different rotational speeds
供油量为2 mL/h，轴向载荷为1 kN，不同径向载荷下2种喷嘴对轴承温升和运转摩擦力矩的影响如图7所示，随着径向载荷的增加，轴承温升和运转摩擦力矩呈现上升趋势。主要是因为径向载荷的增大使钢球与内外圈间的接触载荷增加，摩擦温升增加。在整个试验过程中，采用导流式喷嘴结构供油，轴承温升和运转摩擦力矩始终低于孔式喷嘴，且随着载荷的增加2条曲线的差值变大，表明了导流式喷嘴在大载荷下的使用优势。
图7 不同径向载荷下2种喷嘴对轴承温升和运转摩擦力矩的影响对比
Fig.7 Comparison of effects of two nozzles on temperature rise and running friction torque of bearing under different radial loads
本部分试验工况参数为供油量4 mL/h，供气压力0.25 MPa，径向载荷2 kN，轴向载荷1 kN，导流丝材料为尼龙丝。
导流丝直径为0.1 mm，长度分别为1，3，5 mm条件下，轴承温升和运转摩擦力矩随供油量的变化如图8所示，2种转速下轴承的温升和运转摩擦力矩均随导流丝长度的增加呈现整体下降趋势。主要原因为：导流丝较长时，对润滑剂的束流作用较强，由喷嘴喷射出的面积较小，且其前端更靠近轴承内圈壁面，使润滑剂较集中地喷射到润滑接触区；导流丝较短时，因导流丝的束流作用较弱而使喷射面积较大，部分润滑剂将喷射到保持架上，进入接触区的润滑剂量较少。
图8 不同导流丝长度下轴承温升和运转摩擦力矩随供油量的变化
Fig.8 Variation of temperature rise and running friction torque of bearing with lubricant supply amount under different guide wire lengths
3种导流丝长度下液滴在玻璃盘表面的分布状态如图9所示，导流丝越长，液滴的分布密度越大。这也是因为导流丝长度较大时，所喷出的润滑剂被更多地束缚在较小的喷射范围内。显然，当射流较为集中时，润滑剂更易穿透气帘，也更易将较多的润滑剂输送到轴承内部。
(a) 1 mm
(b) 3 mm
(c) 5 mm
图9 导流丝长度对液滴分布的影响
Fig.9 Effects of guide wire lengths on droplet distribution
导流丝长度为3 mm，直径分别为0.07，0.10 mm时，导流丝直径对轴承温升和运转摩擦力矩的影响并不明显，如图10所示。当供油量小于最佳供油量时，导流丝直径0.10 mm的轴承温升和运转摩擦力矩略低；当供油量大于最佳供油量时，导流丝直径0.10 mm的轴承温升和运转摩擦力矩略高，表明导流丝直径较大时润滑剂的输送效果较好。这是由于在给定导流丝数量条件下，导流丝直径越大，导流丝之间的间隙越小，润滑油容易填满间隙而不易堆积(图11)，可以促进润滑剂射出的连续性。在喷嘴实际工作过程中，受气流影响导流丝的分布并不会呈现出严格的均匀性。图12也表明采用直径为0.10 mm的导流丝，液滴的分布相对较密集。
图10 不同导流丝直径下轴承温升和运转摩擦力矩随供油量的变化
Fig.10 Variation of temperature rise and running friction torque of bearing with lubricant supply amount under different guide wire diameters
(a) 粗导流丝 (b) 细导流丝(润滑剂未填充满)
图11 不同导流丝直径下润滑剂填充示意图
Fig.11 Filling diagram of lubricant under different guide wire diameters
(a) 0.07 mm
(b) 0.10 mm
图12 导流丝直径对液滴分布的影响
Fig.12 Effects of guide wire diameters on droplet distribution
采用高速轴承试验台对油气供油条件下的轴承温升和运转摩擦力矩进行了测量，主要研究了喷嘴的结构形式和导流丝参数对不同工况下轴承润滑性能的影响，并通过观察润滑剂壁面分布形态，对喷嘴的射流效果及对轴承润滑的影响进行了分析。主要结论如下：
1)轴承温升与运转摩擦力矩随供油量变化结果显示，导流式喷嘴所需的最佳供油量比孔式喷嘴低。结合润滑剂壁面分布形态观察，表明导流式喷嘴具有较好的润滑剂稳定输送能力，且输送的液滴尺寸较小且均匀。
2)在给定供油量条件下，因导流式喷嘴所输送的液滴尺寸小，在离心力作用下的迁移损失低，对高速工况乏油起到一定的抑制作用，使导流式喷嘴具有高速使用优势；高速重载工况下，导流式喷嘴的优势更加明显。
3)导流丝越长，润滑剂的输送效果越好，轴承的温升和运转摩擦力矩相应较低；导流丝直径对轴承的润滑效果影响不明显。
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